GPS erklärt

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GPS

GPS steht für Global Positioning System, ein System zur Bestimmung der drei geozentrischen Koordinaten eines jeden Punktes auf der Erdoberfläche. In seiner Anwendung ermittelt ein GPS-Gerät nicht nur die Position, sondern auch die Geschwindigkeit relativ zur Erde, indem es sich den Dopplereffekt zunutze macht. Bei dieser Verwendung wird das GPS- Signal zu einer der Komponenten des GNSS (Global Navigation Satellite System) und ist das fortschrittlichste Funknavigationssystem für Schiffe, Flugzeuge und jedes andere bewegliche Objekt.

 

1. DAS NETZWERK von Satelliten

GPS wurde aus von den USA entwickelt. Die bisherigen Lokalisierungs- und Funknavigationssysteme erforderten das Vorhandensein von Sendestationen  am Boden. Später wurde ein System entwickelt, dass auf Funksignalen basiert, die von künstlichen Satelliten in der Erdumlaufbahn ausgestrahlt werden, und somit den gesamten Globus abdecken.

Zu jedem Zeitpunkt , in jedem Teil der Welt, musste es möglich sein, eine ausreichende Menge an Funksignalen zu empfangen, um die Position eines Punktes zu bestimmen. Das Endergebnis der Forschung und Umsetzung des GPS-Projekts führte zur Schaffung einer Konstellation von 24 Satelliten, die die Erde auf sechs verschiedenen, um 55° zur Polarachse geneigten Bahnebenen umkreisen, von denen jede den Äquator um 60° eines Längengrads schneidet (Abb. 2). Die Satelliten befinden sich auf einer Umlaufbahn mit einem Radius von etwa 26.600 km um die Erde, so dass sie eine Umlaufzeit von 11 Stunden und 58 Minuten haben. Die Satellitenkonstellation ist so konfiguriert, dass sich an jedem beliebigen Ort der Welt mindestens vier Satelliten  über dem lokalen Horizont befinden. Unter bestimmten Bedingungen sind bis zu acht Satelliten gleichzeitig von jedem Punkt der Erdoberfläche aus sichtbar.

 

2. Technische Beschreibung

Für die technische Beschreibung des GPS-Systems ist es notwendig zu unterscheiden zwischen der Satellitenausrüstung und Übertragungskanal.

2.1 Satellitenausrüstung

Jeder Satellit sendet ein Signal auf zwei Trägern, von denen der Hauptträger L1 (Frequenz 1575,42 MHz) und der Nebenträger L2 (Frequenz 1227,60 MHz) genannt wird. Diese Frequenzen werden von einer Basisfrequenz, die von Cäsium- und/oder Rubidium-Atomuhren erzeugt wird, gleich 10,299999545 MHz erhalten. Die Träger werden mit Pseudo-Random-Noise (PRN) Expanded-Spectrum-Codes moduliert. Alle Satelliten senden die gleichen zwei Trägerfrequenzen, aber die Signale stören sich aufgrund der Eigenschaften vom PRN-Codes nicht.

Das Mehrfachzugriffsverfahren ist daher vom Typ CDMA (Code-Division Multiple Access). Die Nennfrequenz hat einen Grundwert von 10,23 MHz und auch ihre Vielfachen L1 und L2 liegen auf dem Grundwert 154 und 120 mal 10,23 MHz. Die Codes werden mit den Daten durch ein exklusives ODER (➔ XOR) verknüpft und danach kombiniert ein Modulator, in Phase und Quadratur auf Kanal L1 und nur in Phase auf Kanal L2, den Träger mit den Daten für die anschließende Übertragung. Das so zusammengesetzte Signal wird von der Satellitenantenne abgestrahlt.

 

2.2 Der Übertragungskanal

Das Signal  durchquert auf seinem Weg die Erdatmosphäre. Die Ionosphäre und die Troposphäre, die teilweise die Ausbreitungsparameter beeinflussen können. Die Ionosphäre (bezogen auf eine Höhe zwischen 75 und 500 km) beeinflusst das GPS-Signal hauptsächlich auf zwei Arten. Ein erster Effekt ist die Kombination aus der Gruppenlaufzeit und des Phasenvorlauf auf dem Träger, die beide vom Weg der Welle abhängig sind. Ein zweiter Effekt geht von Szintillationen aus, die schnelle Fluktuationen in der Amplitude und Phase des Signals verursacht. Die Troposphäre (zwischen 12 und 20 km Höhe) hat einen Brechungsindex, der mit der Höhe variiert: Ist  der Index etwas größer als eins liegt eine Gruppenverzögerung des Signals vor. Der troposphärische Bereich ist im Gegensatz zum ionosphärischen Bereich nicht ionisiert und nicht dispersiv, d.h. die Gruppenlaufzeit hängt nicht von der Frequenz der durchlaufenden Welle ab. Um den Empfänger zu erreichen, kann das Signal mehrere Wege nehmen, von denen der Hauptweg in der Regel in Sichtweite des Senders verläuft (LOS). Die Nebenwege werden von der gleichen Welle gebildet, die nach Reflexionen des Empfänger mit einer  Dämpfung und Phasenverschiebung den Hauptträger erreichen. Dieses als Mehrweg bezeichnete Phänomen erzeugt aufgrund der inkohärenten Überlagerung der unterschiedlichen Amplituden- und Phasenbeiträge der einzelnen Pfade Interferenzen in der Empfangsantenne. In einigen Fällen kann dies dazu führen, dass das ursprüngliche Signal nicht wiederhergestellt werden kann.

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Was ist Geoengineering und warum wird es als Lösung für den Klimawandel angesehen?

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Als ein Bericht über den Klimawandel auf dem Schreibtisch des US-Präsidenten landete, lautete der Vorschlag nicht, die Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Vielmehr rieten die wissenschaftlichen Berater zu technologischen Eingriffen in das Klimasystem selbst – eine Praxis, die heute als Geoengineering bekannt ist. Und der Präsident war nicht Barack Obama, George W. Bush oder gar Bill Clinton – es war Lyndon Johnson im Jahr 1965.

“Diese Generation hat die Zusammensetzung der Atmosphäre auf globaler Ebene durch … einen stetigen Anstieg des Kohlendioxids aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe verändert”, sagte Präsident Johnson im Februar desselben Jahres vor dem Kongress. Um das Problem zu lösen, schlugen seine wissenschaftlichen Berater vor, reflektierende Partikel über 13 Millionen Quadratkilometer Ozean zu verteilen, um ein zusätzliches Prozent des Sonnenlichts von der Erde weg zu reflektieren.

Heute, da sich der Klimawandel beschleunigt und wenig getan wird, um den Ausstoß von Treibhausgasen einzudämmen, haben einige Wissenschaftler die Idee einer “absichtlichen, groß angelegten Manipulation der planetarischen Umwelt” wieder aufgegriffen, wie es die britische Royal Society ausdrückt. Immerhin ist diese Idee fast so alt wie das Verständnis der physikalischen Prinzipien hinter der globalen Erwärmung selbst. Der schwedische Chemiker Svante Arrhenius war der Meinung, dass die globale Erwärmung ein Segen für die Menschheit sein würde und deshalb die Verbrennung fossiler Brennstoffe gefördert werden sollte, nachdem er im späten 19. Jahrhundert die wahrscheinlichen Auswirkungen der fortgesetzten Kohleverbrennung und der steigenden Kohlendioxid (CO2)-Konzentration auf die Temperatur von Hand berechnet hatte – was in etwa mit den Berechnungen des Weltklimarats der Vereinten Nationen und ihren Computermodellen mehr als ein Jahrhundert später übereinstimmt.

Deshalb versammelten sich Ende März 175 Wissenschaftler und andere Interessierte (darunter auch Firmen, die vom Geo-Engineering profitieren wollen) im Asilomar-Konferenzzentrum, um zu versuchen, den Erfolg der Molekularbiologen zu wiederholen, die sich 1975 dort versammelten, um eine skeptische Öffentlichkeit über Gentechnik zu beruhigen. Am Ende veröffentlichten die versammelten Möchtegern-Geoingenieure eine Erklärung, in der sie unter anderem “weitere Forschung in allen relevanten Disziplinen fordern, um besser zu verstehen und zu kommunizieren, ob zusätzliche Strategien zur Abmilderung des zukünftigen Klimawandels machbar, angemessen und ethisch vertretbar sind oder nicht.”

Die Liste der unbeabsichtigten Folgen menschlicher Manipulationen natürlicher Systeme ist lang: Beton-Dschungel, die urbane Wärmeinseln schaffen, riesige tote Zonen in den Ozeanen, die aus dem Einsatz von Düngemitteln auf landwirtschaftlichen Feldern im Landesinneren resultieren, und absichtlich eingeführte Arten, wie die Rohrkröte in Australien, die dann verheerende Auswirkungen auf die Ökosysteme haben, um nur einige zu nennen. Ob es darum geht, die kühlende Wirkung eines Vulkans auf das Klima zu imitieren, indem kontinuierlich Sulfate in die Stratosphäre gepumpt werden, oder die Wolken durch wasserdampfspuckende Schiffe aufzuhellen, die möglichen Probleme reichen von der Abschaltung der Niederschläge in bestimmten Regionen bis hin zu einseitigen Kriegserklärungen.

Wie die Royal Society in ihrem Bericht von 2009 über Geoengineering feststellte: “Die sicherste und vorhersehbarste Methode, um den Klimawandel abzumildern, ist es, frühzeitig und effektiv Maßnahmen zu ergreifen, um die Emissionen von Treibhausgasen zu reduzieren. Keine Geo-Engineering-Methode kann eine einfache oder ohne weiteres akzeptable alternative Lösung für das Problem des Klimawandels bieten.”

Nichtsdestotrotz steuert der Mensch bereits das Klima, auch mit Maßnahmen, die die Umwelt verbessern sollen. Eine kürzlich getroffene Entscheidung, die Sulfatverschmutzung durch Frachtschiffe zu reduzieren, wird den Globus in der Tat weiter erwärmen, da mehr kühlende Partikel vom Himmel entfernt werden.

ScientificAmerican.com sprach mit dem Klimamodellierer und Geoengineering-Experten Ken Caldeira vom Carnegie Institution’s Department of Global Ecology an der Stanford University, der den Begriff “Solar Radiation Management” für die Bemühungen, die Sonne zu dimmen, geprägt hat (obwohl er jetzt “Klima-Intervention” bevorzugt), darüber, warum die Menschen vielleicht intelligenter mit dem planetarischen Management umgehen sollten.

(Es folgt eine bearbeitete Abschrift des Interviews.)

Zunächst einmal, was ist Geoengineering?
Geoengineering ist ein Wort, das für viele verschiedene Menschen viele verschiedene Dinge bedeutet. Typischerweise wird das, was die Leute als Geoengineering bezeichnen, in zwei Hauptklassen unterteilt. Es gibt Ansätze, die versuchen, das Ausmaß des Klimawandels zu reduzieren, das durch einen Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen entsteht, und es gibt Ansätze, die versuchen, Treibhausgase zu entfernen, die bereits in die Atmosphäre gelangt sind.

Die Erde wird durch das Sonnenlicht erwärmt und die von der Erde aufgenommene Wärme wird später wieder in den Weltraum zurückgestrahlt. Treibhausgase erschweren es der Erde, Energie in den Weltraum abzustrahlen. Die beiden wichtigsten Möglichkeiten, die Erde abzukühlen, bestehen also darin, entweder Bedingungen zu schaffen, die bewirken, dass die Erde weniger Sonnenlicht absorbiert, oder es der Erde zu erleichtern, Wärmeenergie in den Weltraum zurückzustrahlen.

Die erste Kategorie von Ansätzen umfasst typischerweise Dinge wie: das Aufstellen von riesigen Satelliten im Weltraum, um das Sonnenlicht von der Erde abzulenken, das Einbringen von winzigen Partikeln in die Stratosphäre, das Aufhellen von Wolken über dem Ozean, oder vielleicht das Aufhellen von Dächern oder das Anpflanzen von helleren [farbigen] Feldfrüchten. All dies sind Versuche, das Sonnenlicht von der Erde wegzulenken.

Bei der zweiten kann mehr Wärmeenergie entweichen.

Es gibt noch eine weitere Kategorie, die einige Leute vorschlagen: dass wir die Wärme, die in der Nähe der Erdoberfläche vorhanden ist, nehmen und sie tief in den Ozean stopfen könnten. Das ist noch nicht so sehr untersucht worden. Aber es ist eine weitere Möglichkeit, die Oberflächentemperaturen der Erde zu verändern.

Warum müssen wir überhaupt darüber nachdenken?
Wenn wir die Treibhausgaskonzentrationen auf dem derzeitigen Niveau einfrieren würden, würde sich die Erde noch für viele Jahrzehnte, wenn nicht Jahrhunderte, erwärmen. Wir haben eine Studie durchgeführt, die zeigt, dass, wenn wir die Temperaturen durch eine Reduzierung der Emissionen stabilisieren wollen, diese auf Null gesenkt werden müssten. Die Emissionen müssten komplett eliminiert werden. Unter jedem Emissionsszenario, das der [Weltklimarat der Vereinten Nationen] in Betracht gezogen hat, steigen die Temperaturen in diesem Jahrhundert weiter an.

In Anbetracht der Trägheit des physikalischen Klimasystems, unserer Energieinfrastruktur und unseres politischen Systems gibt es wirklich keine praktische Möglichkeit, durch Emissionsreduzierungen das Tempo des Klimawandels zu verringern oder das Klimarisiko stark zu reduzieren. Emissionsreduzierungen können nicht damit beginnen, die Erde in diesem Jahrhundert abzukühlen, insbesondere wenn wir auch die Schwefelemissionen von Kraftwerken kontrollieren, die heute einen kühlenden Einfluss ausüben.

Gegen Ende dieses Jahrhunderts wird, wenn sich die gegenwärtigen Trends fortsetzen, fast jeder Sommer in den Tropen heißer sein als der heißeste bisher erlebte. Das birgt die Möglichkeit, dass es zu weit verbreiteten Ernteausfällen und Hungersnöten kommen könnte. Wenn diese Art von schrecklichen Bedingungen alltäglich werden, würden wir mit einer Situation konfrontiert, in der viele Menschen hungern, mit der Aussicht auf eine fortgesetzte Erwärmung für Jahrzehnte und möglicherweise Jahrhunderte in die Zukunft.

Angesichts der enormen Risiken und der Tatsache, dass die Erwärmung durch die Reduzierung der Treibhausgasemissionen in diesem Jahrhundert im Wesentlichen unumkehrbar ist, ist es nur verantwortungsvoll, darüber nachzudenken, was wir angesichts eines Klimanotfalls tun würden. Ein Teil davon beinhaltet das Nachdenken über Geo-Engineering. Aber wir müssen auch über die Entwicklung von Pflanzensorten nachdenken, die unter heißen und trockenen Bedingungen wachsen können. Wir müssen darüber nachdenken, wie wir [Entwicklungsländern], die [in Zukunft] keine Nahrungsmittel anbauen können, helfen können, sich zu industrialisieren, damit sie Devisen bekommen, um Nahrungsmittel zu kaufen.

Was ist die globale Erwärmung, erklärt

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Die Gletscher schmelzen, der Meeresspiegel steigt, die Nebelwälder sterben, und die Tierwelt kämpft, um mitzuhalten. Es ist klar geworden, dass der Mensch den größten Teil der Erwärmung des letzten Jahrhunderts verursacht hat, indem er wärmespeichernde Gase freisetzt, während wir unser modernes Leben führen. Diese sogenannten Treibhausgase sind heute höher als zu jedem anderen Zeitpunkt in den letzten 800.000 Jahren.

Wir nennen das Ergebnis oft globale Erwärmung, aber es verursacht eine Reihe von Veränderungen des Erdklimas oder langfristige Wettermuster, die von Ort zu Ort variieren. Während viele Menschen die Begriffe “globale Erwärmung” und “Klimawandel” als Synonyme betrachten, verwenden Wissenschaftler den Begriff “Klimawandel”, wenn sie die komplexen Veränderungen beschreiben, die das Wetter- und Klimasystem unseres Planeten derzeit beeinflussen – zum Teil deshalb, weil es in einigen Gebieten kurzfristig sogar kühler wird.

Der Klimawandel umfasst nicht nur steigende Durchschnittstemperaturen, sondern auch extreme Wetterereignisse, die Verschiebung von Wildtierpopulationen und Lebensräumen, steigende Meere und eine Reihe anderer Auswirkungen. All diese Veränderungen treten auf, da der Mensch weiterhin wärmespeichernde Treibhausgase in die Atmosphäre einbringt und so die Klimarhythmen verändert, auf die sich alle Lebewesen verlassen.

Was werden wir tun – was können wir tun – um diese vom Menschen verursachte Erwärmung zu verlangsamen? Wie werden wir mit den Veränderungen fertig, die wir bereits in Gang gesetzt haben? Während wir darum ringen, das alles herauszufinden, hängt das Schicksal der Erde, wie wir sie kennen – Küsten, Wälder, Farmen und schneebedeckte Berge – in der Schwebe.

Den Treibhauseffekt verstehen

Der “Treibhauseffekt” ist die Erwärmung, die entsteht, wenn bestimmte Gase in der Erdatmosphäre Wärme einschließen. Diese Gase lassen Licht herein, aber verhindern, dass Wärme entweicht, wie die Glaswände eines Gewächshauses, daher der Name.

Das Sonnenlicht scheint auf die Erdoberfläche, wo die Energie absorbiert wird und dann als Wärme in die Atmosphäre zurückgestrahlt wird. In der Atmosphäre fangen Treibhausgasmoleküle einen Teil der Wärme ein, der Rest entweicht ins All. Je mehr Treibhausgase sich in der Atmosphäre konzentrieren, desto mehr Wärme wird in den Molekülen eingeschlossen.

Wissenschaftler kennen den Treibhauseffekt seit 1824, als Joseph Fourier berechnete, dass es auf der Erde viel kälter wäre, wenn sie keine Atmosphäre hätte. Dieser natürliche Treibhauseffekt ist es, der das Klima der Erde lebenswert hält. Ohne ihn wäre die Erdoberfläche im Durchschnitt etwa 60 Grad Fahrenheit (33 Grad Celsius) kühler.

Im Jahr 1895 entdeckte der schwedische Chemiker Svante Arrhenius, dass der Mensch den Treibhauseffekt durch das Treibhausgas Kohlendioxid verstärken kann. Er gab den Startschuss für 100 Jahre Klimaforschung, die uns ein differenziertes Verständnis der globalen Erwärmung ermöglicht hat.

Die Konzentrationen von Treibhausgasen sind im Laufe der Erdgeschichte auf und ab gegangen, aber sie waren in den letzten paar tausend Jahren ziemlich konstant. Auch die globalen Durchschnittstemperaturen waren in dieser Zeit relativ konstant – bis zu den letzten 150 Jahren. Durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe und andere Aktivitäten, die große Mengen an Treibhausgasen freigesetzt haben, insbesondere in den letzten Jahrzehnten, verstärkt der Mensch nun den Treibhauseffekt und erwärmt die Erde erheblich, und zwar auf eine Weise, die viele Auswirkungen verspricht, warnen Wissenschaftler.

Sind Temperaturänderungen nicht natürlich?

Menschliche Aktivitäten sind nicht der einzige Faktor, der das Klima der Erde beeinflusst. Auch Vulkanausbrüche und Schwankungen der Sonneneinstrahlung durch Sonnenflecken, Sonnenwind und die Position der Erde relativ zur Sonne spielen eine Rolle. Gleiches gilt für großräumige Wettermuster wie El Niño.

Aber die Klimamodelle, die Wissenschaftler zur Überwachung der Erdtemperaturen verwenden, berücksichtigen diese Faktoren. Veränderungen in der Sonneneinstrahlung sowie winzige Partikel, die in der Atmosphäre schweben, zum Beispiel von Vulkanausbrüchen, haben nur etwa zwei Prozent zu der jüngsten Erwärmung beigetragen. Der Rest stammt von Treibhausgasen und anderen vom Menschen verursachten Faktoren, wie etwa der veränderten Landnutzung.

Die kurze Zeitskala dieser jüngsten Erwärmung ist ebenfalls einzigartig. Vulkanausbrüche zum Beispiel stoßen Partikel aus, die die Erdoberfläche vorübergehend abkühlen. Aber ihre Wirkung hält nur wenige Jahre an. Auch Ereignisse wie El Niño funktionieren in relativ kurzen und vorhersehbaren Zyklen. Andererseits treten die Arten von globalen Temperaturschwankungen, die zu Eiszeiten beigetragen haben, in einem Zyklus von Hunderttausenden von Jahren auf.

Seit Tausenden von Jahren werden die Emissionen von Treibhausgasen in die Atmosphäre durch Treibhausgase, die auf natürliche Weise absorbiert werden, wieder ausgeglichen. Infolgedessen waren die Treibhausgaskonzentrationen und Temperaturen ziemlich stabil, was es der menschlichen Zivilisation ermöglicht hat, in einem konstanten Klima zu gedeihen.

 

Auswirkungen der globalen Erwärmung

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Es wird erwartet, dass die globale Erwärmung weitreichende, lang anhaltende und in vielen Fällen verheerende Folgen für den Planeten Erde haben wird.

Die globale Erwärmung, die allmähliche Erwärmung der Erdoberfläche, der Ozeane und der Atmosphäre, wird durch menschliche Aktivitäten verursacht, vor allem durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen, die Kohlendioxid (CO2), Methan und andere Treibhausgase in die Atmosphäre pumpen.

Trotz der politischen Kontroverse über den Klimawandel hat der Weltklimarat (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) in einem am 27. September 2013 veröffentlichten Bericht festgestellt, dass die Wissenschaftler sich des Zusammenhangs zwischen menschlichen Aktivitäten und der globalen Erwärmung sicherer denn je sind. Mehr als 197 internationale wissenschaftliche Organisationen sind sich einig, dass die globale Erwärmung real ist und durch menschliches Handeln verursacht wurde.

Schon jetzt hat die globale Erwärmung einen messbaren Effekt auf den Planeten.

“Wir können dies in Echtzeit an vielen Orten beobachten. Das Eis schmilzt sowohl an den Polkappen als auch an den Berggletschern. Seen auf der ganzen Welt, einschließlich des Lake Superior, erwärmen sich schnell – in einigen Fällen schneller als die Umgebung. Tiere ändern ihre Wanderungsmuster und Pflanzen ändern ihre Aktivitätsdaten”, wie z. B. Bäume, die ihre Blätter im Frühjahr früher austreiben und sie im Herbst später abwerfen, so Josef Werne, Professor für Geologie und Umweltwissenschaften an der Universität Pittsburgh, gegenüber Live Science.

Hier ist ein detaillierter Blick auf die Veränderungen, die durch die globale Erwärmung verursacht werden.

Anstieg der Durchschnittstemperaturen und Temperaturextreme

Eine der unmittelbarsten und offensichtlichsten Auswirkungen der globalen Erwärmung ist der Anstieg der Temperaturen auf der ganzen Welt. Laut der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) ist die globale Durchschnittstemperatur in den letzten 100 Jahren um etwa 1,4 Grad Fahrenheit (0,8 Grad Celsius) gestiegen.

Seit Beginn der Aufzeichnungen im Jahr 1895 war laut NOAA- und NASA-Daten das Jahr 2016 das wärmste Jahr weltweit. In diesem Jahr war die Oberflächentemperatur der Erde 1,78 Grad F (0,99 Grad C) wärmer als im Durchschnitt des gesamten 20. Jahrhunderts. Vor 2016 war 2015 das wärmste Jahr in den Aufzeichnungen, weltweit. Und vor 2015? Ja, 2014. Tatsächlich sind 16 der 17 wärmsten Jahre seit 2001 aufgezeichnet worden, so die NASA.

Für die zusammenhängenden Vereinigten Staaten und Alaska war 2016 das zweitwärmste Jahr seit Beginn der Aufzeichnungen und das 20. aufeinanderfolgende Jahr, in dem die durchschnittliche Oberflächentemperatur den 122-Jahres-Durchschnitt seit Beginn der Aufzeichnungen überstieg, so die NOAA.

Extreme Wetterereignisse

Extremes Wetter ist eine weitere Auswirkung der globalen Erwärmung. Während wir einige der heißesten Sommer seit Beginn der Aufzeichnungen erleben, gibt es in weiten Teilen der Vereinigten Staaten auch kältere Winter als normal.

Klimaveränderungen können dazu führen, dass der polare Jetstream – die Grenze zwischen der kalten Luft am Nordpol und der warmen Luft am Äquator – nach Süden wandert und kalte, arktische Luft mit sich bringt. Das ist der Grund, warum einige Staaten einen plötzlichen Kälteeinbruch oder einen kälteren als den normalen Winter haben können, sogar während des langfristigen Trends der globalen Erwärmung, erklärte Werne.

“Das Klima ist per Definition der langfristige Durchschnitt des Wetters über viele Jahre. Ein kaltes (oder warmes) Jahr oder eine Saison hat wenig mit dem Gesamtklima zu tun. Erst wenn diese kalten (oder warmen) Jahre immer regelmäßiger werden, fangen wir an, sie als eine Veränderung des Klimas zu erkennen und nicht einfach als ein anormales Wetterjahr”, sagte er.

Die globale Erwärmung kann auch zu anderen Wetterextremen als Kälte- oder Hitzeextremen führen. Zum Beispiel werden sich Hurrikan-Formationen verändern. Obwohl dies immer noch Gegenstand aktiver wissenschaftlicher Forschung ist, deuten aktuelle Computermodelle der Atmosphäre darauf hin, dass Hurrikane auf globaler Basis wahrscheinlich seltener werden, obwohl die Hurrikane, die sich bilden, intensiver sein könnten.

“Und selbst wenn sie global seltener werden, könnten Hurrikane in bestimmten Gebieten immer noch häufiger werden”, sagt der Atmosphärenwissenschaftler Adam Sobel, Autor von “Storm Surge: Hurricane Sandy, Our Changing Climate, and Extreme Weather of the Past and Future” (HarperWave, 2014). “Außerdem sind Wissenschaftler zuversichtlich, dass Hurrikane aufgrund des Klimawandels intensiver werden.” Das liegt daran, dass Hurrikane ihre Energie aus dem Temperaturunterschied zwischen dem warmen tropischen Ozean und der kalten oberen Atmosphäre beziehen. Die globale Erwärmung vergrößert diesen Temperaturunterschied.

“Da die bei weitem größten Schäden von den intensivsten Hurrikanen verursacht werden – wie dem Taifun Haiyan auf den Philippinen im Jahr 2013 – bedeutet dies, dass Hurrikane insgesamt zerstörerischer werden könnten”, sagte Sobel, ein Professor der Columbia University in den Abteilungen für Erd- und Umweltwissenschaften sowie angewandte Physik und angewandte Mathematik. (Hurrikane werden im westlichen Nordpazifik als Taifune bezeichnet, im Südpazifik und im Indischen Ozean als Zyklone.)

Blitze sind ein weiteres Wettermerkmal, das von der globalen Erwärmung beeinflusst wird. Laut einer Studie aus dem Jahr 2014 wird bis zum Jahr 2100 eine 50-prozentige Zunahme der Anzahl von Blitzeinschlägen in den USA erwartet, wenn die globalen Temperaturen weiter steigen. Die Forscher der Studie fanden einen 12-prozentigen Anstieg der Blitzaktivität für jedes 1,8 Grad F (1 Grad C) Erwärmung der Atmosphäre.

Die NOAA hat 1996 den U.S. Climate Extremes Index (CEI) eingeführt, um extreme Wetterereignisse zu verfolgen. Die Zahl der extremen Wetterereignisse, die laut CEI zu den ungewöhnlichsten in der Geschichte gehören, hat in den letzten vier Jahrzehnten zugenommen.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass extreme Wetterereignisse wie Hitzewellen, Dürren, Schneestürme und Regenstürme aufgrund der globalen Erwärmung weiterhin häufiger und mit größerer Intensität auftreten werden, so Climate Central. Klimamodelle prognostizieren, dass die globale Erwärmung dazu führen wird, dass die Klimamuster weltweit signifikante Veränderungen erfahren werden. Diese Veränderungen werden wahrscheinlich große Verschiebungen in Windmustern, jährlichen Niederschlägen und saisonalen Temperaturschwankungen beinhalten.

Da hohe Konzentrationen von Treibhausgasen wahrscheinlich für viele Jahre in der Atmosphäre verbleiben, werden diese Veränderungen laut der U.S. Environmental Protection Agency (EPA) voraussichtlich mehrere Jahrzehnte oder länger andauern. Im Nordosten der USA zum Beispiel wird der Klimawandel wahrscheinlich eine Zunahme der jährlichen Niederschläge mit sich bringen, während im pazifischen Nordwesten die Sommerniederschläge voraussichtlich abnehmen werden, so die EPA.

Eisschmelze

Eine der primären Manifestationen des Klimawandels ist bisher die Schneeschmelze. Nordamerika, Europa und Asien haben alle einen Trend zu weniger Schneedecke zwischen 1960 und 2015 gesehen, so die 2016 in der Zeitschrift Current Climate Change Reports veröffentlichte Forschung. Laut dem National Snow and Ice Data Center gibt es jetzt 10 Prozent weniger Permafrost, oder dauerhaft gefrorenen Boden, in der nördlichen Hemisphäre als in den frühen 1900er Jahren. Das Auftauen des Permafrosts kann zu Erdrutschen und anderen plötzlichen Landabbrüchen führen. Es kann auch lange vergrabene Mikroben freisetzen, wie in einem Fall aus dem Jahr 2016, als ein Lager mit vergrabenen Rentierkadavern auftaute und einen Ausbruch von Milzbrand verursachte.

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Eine der dramatischsten Auswirkungen der globalen Erwärmung ist der Rückgang des arktischen Meereises. Das Meereis erreichte sowohl im Herbst als auch im Winter 2015 und 2016 ein Rekordtief, was bedeutet, dass es zu der Zeit, in der das Eis eigentlich seinen Höhepunkt erreichen sollte, zurückgeblieben ist. Die Schmelze bedeutet, dass es weniger dickes Meereis gibt, das über mehrere Jahre hinweg bestehen bleibt. Das bedeutet, dass weniger Wärme von der glänzenden Oberfläche des Eises zurück in die Atmosphäre reflektiert wird und mehr vom vergleichsweise dunkleren Ozean absorbiert wird, wodurch eine Rückkopplungsschleife entsteht, die noch mehr Schmelze verursacht, so die Operation IceBridge der NASA.

Auch der Rückzug der Gletscher ist ein offensichtlicher Effekt der globalen Erwärmung. Laut dem U.S. Geological Survey gibt es im Glacier National Park in Montana nur noch 25 Gletscher, die größer als 25 Acres sind, während es dort einst etwa 150 Gletscher gab. Ein ähnlicher Trend ist in Gletschergebieten weltweit zu beobachten. Laut einer Studie aus dem Jahr 2016, die in der Zeitschrift Nature Geoscience veröffentlicht wurde, besteht eine 99-prozentige Wahrscheinlichkeit, dass dieser schnelle Rückzug auf den vom Menschen verursachten Klimawandel zurückzuführen ist. Einige Gletscher zogen sich bis zu 15 Mal so stark zurück, wie sie es ohne die globale Erwärmung getan hätten, fanden die Forscher heraus.

Wichtigkeit: Warum sollten wir uns um den Klimawandel kümmern?

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Wie wir diskutiert haben, kann der Klimawandel natürlich sein. Wenn sich das Klima auf natürliche Weise verändert, warum sollten wir dann über den heute stattfindenden Klimawandel besorgt sein? Schließlich war es in der zuvor besprochenen frühen Kreidezeit wärmer als heute, aber das Leben gedieh sogar in Regionen, wie dem Inneren der Antarktis, die heute unbewohnbar sind.

Ein Irrglaube ist, dass die Bedrohung durch den Klimawandel mit der absoluten Wärme der Erde zu tun hat. Das ist in der Tat nicht der Fall. Vielmehr ist es die Geschwindigkeit der Veränderungen, die den Wissenschaftlern Sorgen bereitet. Lebewesen, einschließlich des Menschen, können sich leicht an erhebliche Klimaveränderungen anpassen, solange die Veränderungen langsam, über viele Tausende von Jahren oder länger, stattfinden. Die Anpassung an Veränderungen, die auf einer Zeitskala von Jahrzehnten stattfinden, ist jedoch eine weitaus größere Herausforderung.

Hier ist ein nützliches “Gedankenexperiment”, um zu veranschaulichen, welche Art von Diskussion jetzt stattfinden könnte, wenn wir statt des aktuellen Klimas unter den Klimabedingungen der letzten Eiszeit leben würden und die menschlichen Emissionen fossiler Brennstoffe uns aus der Eiszeit heraus und in Bedingungen hineindrücken würden, die der vorindustriellen Periode ähneln, anstatt des aktuellen Falls, in dem wir die Erde aus der vorindustriellen Periode heraus und in eine Periode hineindrücken, deren Bedingungen eher der Kreidezeit ähneln. Werfen Sie einen Blick auf die Abbildung 1.2 unten, die den kontinentalen Umriss der Golfküste auf dem Höhepunkt der letzten Eiszeit vor 18.000 Jahren im Vergleich zum aktuellen kontinentalen Umriss zeigt.

Alles in der helleren Schattierung würde beim Übergang von der Eiszeit zum vorindustriellen modernen Klima überflutet werden. Aber was für ein Aufwand wäre dafür nötig gewesen?

Es stellt sich heraus, dass der natürliche Anstieg des atmosphärischen CO2, der zum Tauwetter nach der letzten Eiszeit führte, ein Anstieg von 180 Teilen pro Million (ppm) auf etwa 280 ppm war. Dies war ein geringerer Anstieg als der gegenwärtige Anstieg aufgrund menschlicher Aktivitäten, wie z. B. der Verbrennung fossiler Brennstoffe, die den CO2-Gehalt vom vorindustriellen Wert von 280 ppm auf ein aktuelles Niveau von über 400 ppm erhöht haben – ein Niveau, das jedes Jahr um 2 ppm ansteigt. Wenn also der Beginn der Industrialisierung vor 18.000 Jahren stattgefunden hätte, hätten wir das Klima sehr wahrscheinlich von einer Eiszeit in den modernen vorindustriellen Zustand versetzt.

Wie lange es gedauert hätte, das gesamte Eis zu schmelzen, ist nicht genau bekannt, aber es ist denkbar, dass es in einem Zeitraum von nur zwei Jahrhunderten geschehen wäre. Das Gebiet, das letztendlich überflutet würde, wäre wesentlich größer als das Gebiet, das aufgrund der bisherigen, vom Menschen verursachten CO2-Erhöhung derzeit überflutet wird. Die hypothetische Stadt “Old Orleans” müsste von ihrer Position im Golf von Mexiko, 100+ Meilen vor der Küste von New Orleans, an den aktuellen Standort von “New Orleans” verlegt werden.

Nach einigen Maßstäben wären die menschlichen Eingriffe in das Klima damals, wenn sie möglich gewesen wären, sogar noch störender gewesen als die heutigen Eingriffe in unser Klima. Doch dieser Eingriff würde lediglich die globalen Durchschnittstemperaturen von denen der letzten Eiszeit auf die Temperaturen anheben, die in der modernen Zeit vor der Industrialisierung herrschten. Dieses Gedankenexperiment zeigt uns, dass es nicht darum geht, ob ein bestimmtes Klima objektiv “optimal” ist. Das Problem ist, dass die menschliche Zivilisation, die natürlichen Ökosysteme und unsere Umwelt in hohem Maße an ein bestimmtes Klima angepasst sind – in unserem Fall an das aktuelle Klima. Ein schnelles Abweichen von diesem Klima würde wahrscheinlich die Anpassungsfähigkeit von uns und anderen Lebewesen übersteigen und zu erheblichen Störungen in unserer Welt führen.

Wir haben also hoffentlich festgestellt, dass der Klimawandel etwas ist, über das man sich Gedanken machen sollte. Vielleicht ist es etwas, das es wert ist, etwas dagegen zu tun. Aber man kann nicht wirklich etwas gegen ein Problem tun, das man nicht versteht, geschweige denn weiß, wie man es lösen kann.

Im weiteren Verlauf dieser Lektion werden wir versuchen, die wissenschaftlichen Grundlagen des Klimawandels und der globalen Erwärmung in den Griff zu bekommen.